Santo André - Outubro de 2015
Aula 6
Ciclo Celular Reprodução
NHT-1056 Microbiologia
Prof . Antônio Sérgio Kimus Braz Prof . Antônio Sérgio Kimus Braz
Ciclo Celular e Reprodução Assexuada
Crescimento:
aumento de tamanho de um indivíduo ou aumento do número de indivíduos dentro de uma população.
Implica em uma série de reações químicas:
1. Síntese de pequenas moléculas: aminoácidos, coenzimas e moléculas energéticas
(ATP) macromoléculas
2.Reações de polimerização
3.Estruturas celulares: membrana, parede, enzimas e outros componentes celulares
isso exige
energia e nutrientes isso exige
energia e nutrientes
Como organizar isso tudo para divisão ???
Como organizar isso tudo para divisão ???
Nos eucariontes temos o citoesqueleto
Até recentemente achava-se que somente eucariontes tinham citoesqueleto
A partir do inicio dos anos 1990 acumularam-se evidencias de proteínas equivalentes em bactérias e arqueas …
Em meados dos anos 2000 já era consenso sua homologia e
funcionalidade com as proteínas eucarióticas: actina, tubulina e filamento intermediários
Para organziar a celula procarioticas também temos citoesqueleto
Proteínas do citoesqueleto
Todas tem sua homola em eucariontes
FtsZ=> homóloga a tubulina
MreB=> homóloga a actina em eucariotos
Crescentina=> homóloga o filamento intermediário
Staphylococcus aureus Escherichia coli Caulobacter crescentus FtsZ
MreB
Crescentina
Anel Z
-Polímeros da proteína FtsZ -Define o sítio da clivagem
1. Praticamente todas as bactérias possuem FtsZ;
2. MreB, presente em todas as células em formato de bastonete;
3. Crescentina dá a forma de meia-lua.
Citoesqueleto em procariotos
FtsZ
Se polimeriza na presença de GTP Formando círculos
Semelhanças estruturais e funcionais
Tubulin/FtsZ family, GTPase domain Add an annotation
This family includes the tubulin alpha, beta and gamma chains, as well as the bacterial FtsZ family of proteins. Members of this
family are involved in polymer formation. FtsZ is the polymer- forming protein of bacterial cell division. It is part of a ring in the middle of the dividing cell that is required for constriction of cell membrane and cell envelope to yield two daughter cells. FtsZ and tubulin are GTPases. FtsZ can polymerise into tubes, sheets, and rings in vitro and is ubiquitous in eubacteria and archaea. Tubulin is the major component of microtubules.
Evidence for horizontal gene transfer
genes de plantas terrestres =>
durante evolução transferência cloroplasto para núcleo
Figure 5.2 The FtsZ ring and cell division. (a) Cutaway view of a rod-shaped
cell showing the ring of FtsZ molecules around the division plane. Blowup shows the arrangement of individual divisome proteins. ZipA is an FtsZ anchor, FtsI is a peptidoglycan biosynthesis protein, FtsK assists in chromosome separation, and FtsA is an ATPase. (b) Appearance and breakdown of the FtsZ ring during the cell cycle of Escherichia coli. Microscopy: upper row, phase contrast; bottom row, cells stained with a specific reagent against FtsZ. Cell division events: first column, FtsZ ring not yet formed; second column, FtsZ ring appears as nucleoids start to segregate; third
column, full FtsZ ring forms as cell elongates;
fourth column, breakdown of the FtsZ
ring and cell division. Marker bar in upper left photo, 1 μm.
10.000 unit FtsZ para formar o anel
Cocos não tem MreB
Figure 5.5 MreB and crescentin as determinants of cell morphology. (a) The cytoskeletal protein MreB is an actin analog that winds as a coil through the long axis of a rod-shaped cell, making contact with the cytoplasmic membrane in several locations (red dashed circles). These are sites of new cell wall synthesis. (b) Photomicrographs of the same cells of Bacillus subtilis. Left, phase contrast; right, fluorescence. The cells contain a substance that makes the MreB protein fluoresce, shown here as bright white.
Dsitribuição filogenticas das proteinas RodZ
Mre
Em filos de bacterias..
Tn5 : linhagem com transposon no gene creS
Eucarionte Bacteria Archaea
Staphylococcus aureus E. coli Caulobacter crescentus
Ciclo celular...
Evento Procariota Eucariota Crescimento da massa
celular (pré-replicativo) Período B (G1) Fases G1 ou gap 1 Replicação do cromossomo
(replicativo Período C (S) Fases S (síntese de DNA)
Separação dos cromossomos
(pós-replicativo) Período D (G2,M) Fase G2 (gap 2) Mitose ou fase M Separação das células (pós-
replicativo) Período D (citocinese) Citocinese
Ciclo celular procariótico
Em condições nutricionais ideais,
a E.coli faz um ciclo completo de vida em 20 minutos
Período B (G1): aumento da massa molecular
Síntese da parede celular
Período C (S): replicação do DNA/cromossomo
Período D (G2, M e citocinese)
FtsZ -Início do processo de divisão,
com formação do septo
-Separação dos cromossomos e das duas células
No momento certo do ciclo celular, FtsZ polimeriza-se em uma estrutura em forma de anel – o “anel Z” – bem no centro da célula que tem que se dividir. A seguir, o anel Z atrai pelo menos uma dúzia de outras proteínas necessárias para a divisão e assim transforma-se em um elaborado complexo macromolecular
Durante a divisão, várias proteínas são recrutadas para o anel formado por FtsZ: FtsA, FtsQ, FtsW, FtsL, FtsN,
FtsK, FtsI (PbP3) e ZipA, que se organizam em um complexo para realizar a divisão.
. This model includes 177 proteins : 2 double-rings with 96 FtsZ proteins (in yellow), 51 FtsA proteins (in dark blue), 6 ZipA Cter (in red), 10 ZapA tetramer bridging two FtsZ rings, 2 FtsK hexamer (Cter : 6 alpha, beta and gamma domains) DNA is shown. This 678 DNA
Divisão celular
Em condições nutricionais ideais, a E.coli faz um ciclo completo de vida em 20 minutos
Tipos de divisão celulares em procariotos
maioria fissão binária
(produtos da divisão celular iguais)
alguns utilizam fissão múltipla, brotamento ou fissão assimétrica
(produtos da divisão celular desiguais )
Arqueas possuem características mistas de bactérias e eucariotos em seu ciclo
Fissão Binária Simétrica
E. coli E. coli
Espécies mais estudadas E. coli e Bacillus subtilis
Outras proteínas que atuam na divisão celular
Proteínas Min= auxiliam na formação do septo no meio da célula
Papel das proteínas Min, na localizaçào do septo de divisão
(Adaptado de Rothfield & Zhao. Cell, 84:183-186, 1996)
Fissão Binária Simétrica e Esporulação :
B. subtilis
Fissão Binária Simétrica e Esporulação :
proteínas que auxiliam na compactação em até 1.000 vezes do DNA bacteriano (proteínas básicas);
outro grupo de proteínas conhecidas como:
proteínas de manutenção estrutural do cromossomo (SMC, structural maintenance of chromosome) :
envolvidas na organização e segregação do cromossomo/nucleóide;
Proteina FtsZ
Proteína MreB
B. subtilis
*Bactérias não possuem homólogos da histona
Fissão Binária Assimétrica:
Caulobacter crescentus
possui dois tipos de células:
-células expansivas (swarmer) =móveis com flagelo e pilus, -células pedunculadas (stalked)= com um gancho adesivo, imóvel e sésseis.
Caulobacter crescentus is a Gram- negative bacterium ubiquitous in fresh water, soil, and sea water. C.
crescentus exhibits a dimorphic life cycle that most likely provides an advantage in such competitive environments...
Múltiplos endosporos intracelulares:
Metabacterium polyspora
-Algumas células fazem divisão binária, mas maioria esporula
-Produz múltiplos endosporos, à medida que transita pelo trato gastrointestinal do seu hospedeiro natural, a cobaia (Cavia porcellus).
-Pode produzir aproximadamente 9 endosporos por célula-mãe
Simbionte de porquinho da india Ajuda na digestão dos alimentos...
Metabacterium polyspora
Divisão nos dois pólos
engolfament o
Pré-endos- poro divide
Pré-
endosporo divide e cresce
The life cycle of M. polyspora is coordinated with its passage through the gastrointestinal tract of the guinea pig (Cavia porcellus)
Angert E R, Losick R M PNAS 1998;95:10218-10223
Fissão Múltipla:
-Cianobactérias -Actinobactérias -Proteobactérias
Sucessão rápida de divisões por fissão binária leva a formação de:
-Baeócitos (pequenas células) -Esporos
-Filamentos multinucleóides
Biofilmes:
-Colônias microbianas aderidas a uma superfície envoltas por um material viscoso=
matrix polimérica extracelular (MPE)
-Maioria das bactérias são encontradas em biofilmes -Altamente estruturados e fisicamente dinâmicos
Biofilmes:
-Colônias microbianas aderidas a uma superfície envoltas por um material viscoso=
matrix polimérica extracelular (MPE)
-Maioria das bactérias são encontradas em biofilmes -Altamente estruturados e fisicamente dinâmicos
Adesão da célula bacteriana à superfícies
1. Adesão a uma superfície abiótica: mediada por interações inespecíficas, como forças hidrofóbicas;
2. Adesão a um tecido vivo é normalmente mediada por mecanismos moleculares específicos como
lectinas, outros ligantes ou adesinas;
3. Adesão primária de um organismo a uma superfície é um processo reversível que acontece de forma
aleatória ou através de mecanismos de quimiotaxia e de mobilidade;
Formação de biofilmes:
As interações que permitem a agregação de diferentes espécies, ou mesmo gêneros microbianos em um biofilme geralmente envolvem a participação de adesinas (moléculas de
adesão presentes em fímbrias ou dispersar ao longo da superfície celular), que reconhcem receptores específicos na superfície de outras células, ou em diversos tipos de substratos
Maturação do biofilme
1. Após a adesão primária, a ligação se consolida pela produção de polissacarídeos extracelulares que se complexam a
materiais de superfície e aos receptores específicos localizados nos flagelos e pili;
-MPE (matrix polimérica extracelular)= polissacarídeos proteínas
outros
-Proteínas da MPE= Bap (biofilm associated protein) (Staphyloccocus aureus)
2. Adesão irreversível
Ruptura e dispersão do biofilme
Formação do biofilme
Biofilmes mais comuns são heterogêneos= duas ou mais espécies
Relações simbióticas
-Produtos do metabolismo de uma espécie pode auxiliar no crescimento de outras
-Adesão de uma espécie pode fornecer substâncias para adesão de outras
X
-competição por nutrientes pode limitar diversidade de espécies
Conflicts of interest in biofilms
conflicts of interest prevalent in biofilms yet largely ignored in the biofilm literature.
Examples discussed comprise growth restraint in stationary phase as an instance of the Prisoner's Dilemma, growth restraint to allow channel formation, restraint in resource consumption or economical use of resources as altruistic behaviour, population heterogeneity as insurance against environmental changes, cooperative investment in diffusible exoenzymes, cooperation of pathogens and virulence, diffusion sensing versus quorum sensing and the inflation of signals, antibiotic resistance as collective action, and programmed cell death
Placa dental= um dos biofilmes mais estudados - mais de 1000 espécies diferentes no biofilme
-Proteção contra ambientes hostis
-Proteção contra antibióticos
Vantagens do biofilme
Sintrofia em um grânulo de lodo de um
reator metanogênico.
Corantes fluorescentes revelam organismos
metanogênicos (em verde) e bactérias que oxidam propionato (em
vermelho).
Bactérias se comunicam !!
Comunicação celular
-Várias espécies de bactérias presentes em diferentes biofilmes -Sinais químicos são produzidos e percebidos por outras células resultando em comportamentos coordenados
Sinalização celular e densidade populacional
-Bactérias preferem viver em grupos formando comunidades contendo uma única espécies ou espécies multiplas
-Se comunicam através de sinais químicos= autoindutores -Linguagem das bactérias usa sistemas denominados:
Quorum sensing
Abilidade de uma colônia de bactérias de perceber seu tamanho e regular sua atividade
(Processo dependente da densidade populacional)
-Processos de luminescência
-Transferência horizontal de DNA -Formação de biofilmes
-Produção de fatores de patogenicidade
Quorum sensing
Importante para processo de
Sinalização celular e densidade populacional
Quorum sensing
-Bactéria produz autoindutores (Concentração de autoindutores é
dependente da densidade populacional)
-Resposta a autoindutores provoca mudanças an expressão gênica
Dois sistemas
Gram positivas= usam oligopeptídeos sinais Gram negativas= usam proteínas LuxIR
Descoberto em Vibrio fischer
Gram negativa= sistema LuxIR symbiotic bioluminescence.
Lux operon
Baixa densidade= 3-oxo-C6-HSL se difunde para fora das células Alta densidade= Concentração de 3-oxo-C6-HSL aumenta.
LuxR se liga ao 3-oxo-C6-HSL
Complexo LuxR- 3-oxo-C6-HSL ativa transcrição dos genes Lux
LuxR= codifica proteína ativadora da transcrição LuxI (3-oxo-C6-HSL)
(N-acyl homoserine lactone = AHL)
Vibrio fischer
Gram negativa= sistema LuxIR symbiotic bioluminescence.
a | The lux operon contains luxI followed by five genes that are required for light production (luxCDABE) and an additional gene of unknown function (luxG). The luxC, luxD and luxE genes code for components of an acid reductase that converts the long-chain fatty acid tetradecanoic acid into the fatty-aldehyde substrate
(tetradecanal) for the light-producing enzyme luciferase. The luxA and luxB genes encode the alpha and beta subunits of luciferase. The luxI gene encodes the enzyme (autoinducer (AI) acyl- homoserine lactone synthase) that produces the quorum-sensing signal 3-oxo-C6-HSL. The single gene transcribed in the opposite direction, luxR, encodes the signal-responsive transcription activator of the luxICDABEG operon. Modified with permission from Ref. 113 © (1999)
Cambridge University Press. b | An Australian pinecone fish (approx12 cm long). The red organ on the lower jaw is a light organ that contains approx1010V. fischeri cells per ml fluid. The light organ appears red in this photograph because the light-organ tissue is highly vascularized. Australian pinecone fish are nocturnal reef dwellers and they use the light organ to search for prey at night. c | A Hawaiian bobtail squid. This adult squid is approx2 cm long. There is a V. fischeri light organ close to the ink sac within the mantle cavity of the animal. This light organ contains approx1011V.
fischeri cells per ml. These nocturnal squid emit light downwards through the mantle cavity and, by matching the intensity of the moon- and starlight above, they become invisible to predators below them. Images b and c kindly provided by Edward G. Ruby (University of Hawaii, USA).
Vibrio fischeri lux-gene organization and symbiotic bioluminescence.
The archetypical Lux quorum sensor. The AHL signal (green circles) is synthesized by the luxI gene
product LuxI (the synthase). At a certain threshold concentration, the AHL signal interacts with the receptor LuxR (encoded by luxR), which binds to the promoter sequence of the target genes (in this case, the lux operon) and in conjunction with the RNA polymerase promotes transcription.
Pharmacological inhibition of quorum sensing for the treatment of chronic bacterial infections
Furanone-treated P. aeruginosa biofilms are less tolerant to tobramycin. Scanning confocal laser photomicrographs of P. aeruginosa PAO1 biofilms grown in the absence (a) or the
presence (b) of 10 μM C-30. After 3 days, the biofilms were exposed to 100 μg/ml tobramycin for 24 hours. Bacterial viability was assayed by staining using the LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit (Molecular Probes Inc., Eugene, Oregon, USA). Red areas are dead bacteria; green areas are live bacteria.
